KR101668842B1 - 적외선을 이용한 가스터빈 연소상태진단장치 - Google Patents
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Abstract
적외선을 이용한 가스터빈 연소상태진단장치가 개시된다. 본 발명에 따른 적외선을 이용한 가스터빈 연소상태진단장치는, 일단부에 개구부가 마련되어 가스터빈용 연소기 내측 공간과 연통되고, 타단부는 외측으로 돌출형성되어 이루어지는 연소진단튜브; 상기 연소진단튜브 일측과 연통되도록 구비되어 상기 연소진단튜브 내부로 적외선을 발생시키는 적외선발진기; 상기 연소진단튜브 내에 구비되어 상기 적외선 일부만 상기 연소기 내측으로 제1 반사시키고, 나머지는 투과시키는 이색광학거울; 상기 이색광학거울을 통해 반사된 제1 반사광 중 상기 연소기 내측 반사면에 의해 되돌아오는 제2 반사광의 세기를 측정하기 위해 상기 연소진단튜브의 타단부에 구비되는 광센서; 및 상기 적외선발진기 및 상기 광센서와 연결되어 제어하고, 측정된 상기 제2 반사광의 세기에 기초하여 상기 연소기 내의 화염에 포함되는 부유성 고형물의 많고 적음을 판별하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 의하면, 적외선발진기를 통해 발생된 적외선이 이색광학거울에 의해 연소기 쪽으로 반사되고, 연소기 내의 화염을 통과한 다음 연소기 반사면에 의해 연소진단튜브 내로 되돌아오도록 한 후, 광센서를 통해 해당 적외선의 세기가 측정되도록 하여 소정 크기 이상의 부유성 고형물(PM)의 발생 여부를 판별할 수 있는 적외선을 이용한 가스터빈 연소상태진단장치를 제공할 수 있게 된다.
Description
본 발명은 적외선을 이용한 가스터빈 연소상태진단장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 가스터빈 연소기 내부에서 연소 상태에 따라 발생하는 부유성 고형물을 적외선을 이용하여 감지함으로써, 가스터빈의 적절한 제어가 이루어지게 하는 가스터빈 연소상태진단장치에 관한 것이다.
가스터빈 발전시스템은, 노즐에서 분사되어 연소되는 연료의 화염 상태에 관한 정밀한 모니터링을 통해 가스터빈 연소기 내의 불안정한 연소로 인한 연소기의 소손사고 등을 효과적으로 방지함은 물론, 연소 효율을 증대하는 방향으로 지속적인 개발이 이루어지고 있다.
그 중 연료의 화염 상태를 감시 내지 제어하기 위해 가스터빈 연소기 측에 동압 센서를 장착하여 동압의 크기 및 주파수를 분석하게 되며, 소정범위 이상의 동압 신호가 감지되면, 그 초과 변화량의 크기에 따라 적절한 경보 조치가 단계별로 이루어지도록 하고 있다.
하지만, 연소 상태의 불안정을 일으키는 외적 요소들로는 연료품질 불균형, 운전자 오작동, 대기 온습도 변화, 설비의 노화 등 다양한 원인이 있을 수 있어, 연소 동압을 감시하는 것만으로 연소 상태의 불안정을 정확하게 진단하기는 어려운 관계로, 동압 센서를 통한 연소 상태 감시와 함께 다양한 센서가 가스터빈 연소상태진단장치에 부가되어 활용되고 있다.
아울러 석탄가스화 복합발전(Integrated Gasification Combined Cycle, IGCC) 기술이 부각됨에 따라, 연소를 위해 합성가스가 가스터빈 발전시스템에 공급되게 되는데, 이 경우 전단압력의 섭동이 생겨 연소의 불안정을 야기하고 있어 정확한 연소 진단의 필요성이 더욱 커지고 있다.
더불어, 최근에는 Biogas, DME(Dimethyl Ether), SNG(Synthetic Natural Gas) 등 다양한 발전 연료 및 신 재생에너지를 가스터빈 발전시스템에 적용하고 있으며, 각각의 연료의 특성에 따라 연소 현상이 크게 달라지므로 이에 부합하는 정밀한 연소 진단이 필요하다.
특히, 가스터빈 연소기 내에서 연료가 연소될 때 생성되는 1㎛ 이상의 부유성 고형물(Particulate Matter, PM)은, 가스터빈 내의 가스 유로(流路)를 따라 표면에 점착되어 배기가스의 배출을 저해하거나 터빈 날개에 부착되어 회전을 저해하는 등의 문제를 야기함으로써, 가스터빈의 연료 효율성 등을 저감시키게 되는데, 다음과 같은 경우에 주로 발생하게 된다.
즉, 1㎛ 이상의 크기를 갖는 부유성 고형물(PM)은, 미연소 탄화수소(UHCs, 또는 불완전 연소 생성물)가 덩어리 형태로 합쳐지는 경우, 연료 중 금속성분이 함유된 경우, 석탄가스화로 생성된 연료에 포함된 비산회(flying ash) 성분이 충분히 여과되지 못한경우, 연료나 공기 공급배관의 노후화로 인해 비산 물질이 연소기에 주입되는 경우에 주로 발생하게 된다.
이렇게 다양한 원인에 기인하는 부유성 고형물(PM)의 발생 여부는, 가스터빈의 연료 효율성, 안정적인 운용 및 노후화 방지와 직결되는 특성이 있기 때문에, 이를 판별할 수 있는 기술적 수단에 대한 요구가 근래에 점차 대두되고 있다.
이러한 연장선상의 선행기술 중에 대한민국공개특허 제2015-0071671호(공개일자: 2015.06.26)는, 연소기에서 동압 센서들과 같은 열음향 센서들을 이용하여 연소기의 진동 반응들을 측정하는 방법에 대하여 제시하고 있다. 보다 구체적으로는, 웨이블릿 또는 푸리에 분석기술들에 의해 연소 이상들을 식별하고; 기본 모드 주파수 분석 기술들로 연소기 내의 벌크 온도 특성들을 결정하고; 그리고 선택적으로, 음향 고온 측정 송신 및 전파 시간 분석 기술들로 연소기 내의 절대 액티브 경로 온도들을 결정하기 위해, 통합된 모니터링 및 제어 시스템 제어기가 센서 판독 값들을 연소 열음향 속성들과 상관시키는 단계를 통해 연소 온도를 실시간으로 모니터링할 수 있다고 설명하고 있다.
그러나 이러한 선행기술은, 실제 연소기 내의 화염 온도를 직접 산출하는 것이 아니라 연소기 하우징 외측에서의 화염 온도를 간접적으로 산출하기 위한 동압 센서 등의 활용 또는 배치하는 방법에 대한 설명만이 있을 뿐이어서, 화염 온도 측정의 정확성이 떨어질 뿐만 아니라 센서가 복잡하게 장착됨에 따라 설치나 유지 관리가 어려운 문제가 있다. 또한, 부유성 고형물(PM)을 감지할 수 있는 구체적 방안 내지 기술적 수단에 대한 어떠한 언급도 없어, 이에 대한 개발이 필요한 실정이다.
본 발명의 목적은, 가스터빈 연소기 내에서 연료가 연소될 때 발생되는 소정크기 이상의 부유성 고형물(PM)을 감지해낼 수 있는 새로운 기술적 수단을 제시함과 아울러, 고비용이 소요되는 연소기에 대한 별도의 구조변경이나 교체 없이도 기장착된 연소진단튜브에 용이하게 추가적용될 수 있는 적은 부품 수와 단순한 구조로 이루어진 적외선을 이용한 가스터빈 연소상태진단장치를 제공하는 것이다.
상기 목적은, 일단부에 개구부가 마련되어 가스터빈용 연소기 내측 공간과 연통되고, 타단부는 외측으로 돌출형성되어 이루어지는 연소진단튜브; 상기 연소진단튜브 일측과 연통되도록 구비되어 상기 연소진단튜브 내부로 적외선을 발생시키는 적외선발진기; 상기 연소진단튜브 내에 구비되어 상기 적외선 일부만 상기 연소기 내측으로 제1 반사시키고, 나머지는 투과시키는 이색광학거울; 상기 이색광학거울을 통해 반사된 제1 반사광 중 상기 연소기 내측 반사면에 의해 되돌아오는 제2 반사광의 세기를 측정하기 위해 상기 연소진단튜브의 타단부에 구비되는 광센서; 및 상기 적외선발진기 및 상기 광센서와 연결되어 제어하고, 측정된 상기 제2 반사광의 세기에 기초하여 상기 연소기 내의 화염에 포함되는 부유성 고형물의 많고 적음을 판별하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 적외선을 이용한 가스터빈 연소상태진단장치에 의해 달성된다.
상기 연소상태진단장치는, 상기 적외선 중 상기 이색광학거울을 통해 투과된 투과광을 흡수할 수 있도록, 상기 적외선발진기와 마주하는 상기 연소진단튜브 일측에 빔덤프를 더 포함할 수 있다.
상기 연소상태진단장치는, 상기 이색광학거울을 투과한 상기 제2 반사광이 상기 광센서에 집광될 수 있도록, 상기 광센서와 상기 이색광학거울 사이에 볼록렌즈를 더 포함할 수 있다.
상기 연소진단튜브는, 상기 개구부를 통해 상기 연소기와 연통되는 직선형의 파이프 형상으로 이루어진 메인튜브와, 상기 메인튜브 일측에서 돌출형성되되 상기 연소기 쪽으로 경사진 서브튜브로 구성되고, 상기 적외선발진기는, 상기 서브튜브 내측에 장착되고, 1㎛ 이상의 부유성 고형물을 원활하게 검출할 수 있도록, 파장이 0.5㎛ 내지 1.5㎛인 적외선을 발생시킬 수 있다.
상기 이색광학거울은, 상기 적외선이 상기 연소기 쪽을 향하여 반사될 수 있는 위치에 설치되고, 광투과율이 50%일 수 있다.
상기 제어부는, 상기 연소기에서 연소가 이루어지지 않은 상태에서 상기 적외선발진기를 작동시킨 후 상기 광센서를 통해 상기 제2 반사광의 세기를 측정하여 초기값정보를 생성하고, 상기 연소기에서 연소가 이루어지는 동안 화염에서 발생하는 자발광의 세기를 상기 광센서를 통해 측정하여 자발광세기정보를 생성하고, 상기 연소기에서 연소가 진행되는 동안 소정의 시간간격마다 상기 적외선발진기를 통해 상기 적외선을 발생시키고, 발생된 상기 적외선이 상기 제1,2 반사광의 형태로 상기 연소기에서 상기 부유성 고형물에 의해 산란이 이루어진 후, 상기 제2 반사광의 세기를 상기 광센서를 통해 측정하여 고형물측정정보를 생성하고, 상기 초기값정보, 상기 자발광세기정보 및 상기 고형물측정정보에 기초하여 화염 내 부유성 고형물의 양을 정량적으로 산출할 수 있다.
상기 연소상태진단장치는, 상기 연소기 내의 화염 온도를 측정할 수 있도록,
상기 연소진단튜브 타단부에 구비되어 상기 연소진단튜브를 통해 상기 연소기 쪽으로 송신초음파를 발생시키는 초음파송신기; 및 상기 연소진단튜브 내부에 구비되어, 상기 송신초음파를 수신하여 제1 수신신호를 생성하고, 상기 송신초음파 중 상기 반사면에 의해 되돌아오는 반사파를 수신하여 제2 수신신호를 생성하는 초음파수신기로 구성되는 화염온도측정모듈을 더 포함하고, 상기 제어부는, 상기 화염온도측정모듈과 연결되어 제어하고, 상기 제1,2 수신신호 및 상기 초음파수신기와 상기 반사면 간의 이격거리(L)에 기초하여 상기 연소기 내의 화염 온도를 측정할 수 있다.
상기 제어부는, 상기 제1,2 수신신호에 기초하여 상기 송신초음파 수신 후 상기 반사파 수신까지의 지연시간 △t를 산출하고, 속도식 Cflame = 2L /△t 에 의해 상기 연소기 내에서의 초음파의 속도(Cflame)를 산출한 후, 초음파 속도와 온도와의 관계식인 
에 의해 상기 화염 온도를 산출할 수 있다.
본 발명에 의하면, 적외선발진기를 통해 발생된 적외선이 이색광학거울에 의해 연소기 쪽으로 반사되고, 연소기 내의 화염을 통과한 다음 연소기 반사면에 의해 연소진단튜브 내로 되돌아오도록 한 후, 광센서를 통해 해당 적외선의 세기가 측정되도록 하여 소정 크기 이상의 부유성 고형물(PM)의 발생 여부를 판별할 수 있는 적외선을 이용한 가스터빈 연소상태진단장치를 제공할 수 있게 된다.
나아가, 연료의 종류를 불문하고 부유성 고형물(PM)의 발생 여부를 실시간으로 판별하고 대처할 수 있도록 함으로써, 가스터빈의 연료 효율성의 증대 및 가스터빈의 안정적인 운용을 도모할 수 있고, 가스터빈의 노후화를 저감할 수 있게 된다.
또한, 부유성 고형물(PM)의 발생 여부를 판별하기 위한 장치의 부품 수나 구조를 단순화함으로써, 설치나 유지 관리의 용이성을 도모할 수 있고, 고비용이 소요되는 연소기에 대한 별도의 구조변경이나 교체 없이도 기장착된 연소진단튜브에 용이하게 추가되어 적용될 수 있는 적외선을 이용한 가스터빈 연소상태진단장치를 제공할 수 있게 된다.
도 1은 본 발명에 따른 적외선을 이용한 가스터빈 연소상태진단장치가 적용되는 가스터빈의 전체를 도시한 사시도이다.
도 2는 도 1에 표시된 영역을 확대하여 본 발명의 제1 실시예에 따른 연소상태진단장치의 작동을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 도 2의 작동에 따른 구간별 적외선의 세기를 도시하는 도면이다.
도 4는 화염온도측정모듈이 추가된 제2 실시예에 따른 연소상태진단장치의 작동을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 화염온도측정모듈이 추가된 제3 실시예에 따른 연소상태진단장치의 작동을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 도 5의 작동에 따른 수신신호와 이격거리 간의 관계를 도시하는 도면이다.
도 7은 가스터빈용 연소기 내의 화염 온도에 따른 CO 배출특성을 나타내는 그래프이다.
도 8은 가스터빈용 연소기 내의 화염 온도에 따른 NOx 배출특성을 나타내는 그래프이다.
도 2는 도 1에 표시된 영역을 확대하여 본 발명의 제1 실시예에 따른 연소상태진단장치의 작동을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 도 2의 작동에 따른 구간별 적외선의 세기를 도시하는 도면이다.
도 4는 화염온도측정모듈이 추가된 제2 실시예에 따른 연소상태진단장치의 작동을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 화염온도측정모듈이 추가된 제3 실시예에 따른 연소상태진단장치의 작동을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 도 5의 작동에 따른 수신신호와 이격거리 간의 관계를 도시하는 도면이다.
도 7은 가스터빈용 연소기 내의 화염 온도에 따른 CO 배출특성을 나타내는 그래프이다.
도 8은 가스터빈용 연소기 내의 화염 온도에 따른 NOx 배출특성을 나타내는 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세하게 설명하면 다음과 같다. 다만, 본 발명을 설명함에 있어서, 이미 공지된 기능 혹은 구성에 대한 설명은, 본 발명의 요지를 명료하게 하기 위하여 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명에 따른 적외선을 이용한 가스터빈 연소상태진단장치가 적용되는 가스터빈의 전체를 도시한 사시도이고, 도 2는 도 1에 표시된 영역을 확대하여 본 발명의 제1 실시예에 따른 연소상태진단장치의 작동을 설명하기 위한 도면이고, 도 3은 도 2의 작동에 따른 구간별 적외선의 세기를 도시하는 도면이고, 도 4는 화염온도측정모듈이 추가된 제2 실시예에 따른 연소상태진단장치의 작동을 설명하기 위한 도면이고, 도 5는 화염온도측정모듈이 추가된 제3 실시예에 따른 연소상태진단장치의 작동을 설명하기 위한 도면이고, 도 6은 도 5의 작동에 따른 수신신호와 이격거리 간의 관계를 도시하는 도면이고, 도 7은 가스터빈용 연소기 내의 화염 온도에 따른 CO 배출특성을 나타내는 그래프이고, 도 8은 가스터빈용 연소기 내의 화염 온도에 따른 NOx 배출특성을 나타내는 그래프이다.
본 발명의 설명에 앞서 먼저, 가스터빈(10)에 대하여 간략하게 살펴보면, 도 1에 도시된 바와 같이, 압축기(12), 연소기(20), 터빈(14) 및 배기구(16) 등을 포함하여 구성되며, 가스터빈(10)의 작동은, 압축기(12)를 통해 압축된 공기가 연소기(20)로 유입되어 분사된 연료와 함께 연소되고, 이때, 발생된 고온 고압의 가스가 빠르게 유동하며 터빈(14)을 회전시킨 후 배기구(16)를 통해 배기가스가 외부로 배출되는 방식으로 이루어지게 된다.
이러한 가스터빈(10)에 장착되어 사용되는 본 발명에 따른 적외선을 이용한 가스터빈 연소상태진단장치(100)는, 가스터빈용 연소기(20) 내의 부유성 고형물(PM)의 발생 여부를 판별하기 위해 연소기(20) 일측에 구비된다.
가스터빈 연소상태진단장치(100)에는 본 발명에서 다루는 부유성 고형물(PM) 판별장치 외에도 다양한 진단장치, 즉 연소기(20) 내 압력을 측정하는 압력센서(동압 센서, 마이크로폰 등)나 연소진단튜브(110) 쪽으로 전파되는 화염의 자발광 신호에서 라디칼 신호를 수신하는 장치 등이 추가적으로 장착될 수 있다.
본 발명에 따른 적외선을 이용한 가스터빈 연소상태진단장치(100)는, 가스터빈의 연소기(20) 내 소정 크기 이상의 부유성 고형물(PM)을 검지 내지 판별하기 위해 대략 연소진단튜브(110), 적외선발진기(120), 이색광학거울(130), 광센서(140) 및 제어부(150) 등을 포함하여 구성되며, 추가적으로 빔덤프(160) 및 볼록렌즈(170)를 더 포함할 수 있다.
이하에서는 상술한 연소상태진단장치(100)의 각 구성에 대하여 구체적으로 살펴보기로 한다.
연소진단튜브(110)는, 상술한 바와 같은 진단장치들이 장착되는 공간이 마련된 구성요소로서, 길게 형성된 파이프 형상으로 이루어지되 일단부에 개구부(110b)가 마련되어 연소기(20) 내측 공간과 연통되고, 타단부는 외측으로 돌출형성되어 이루어지게 된다.
이렇게 연소진단튜브(110)가 연소기(20)로부터 외측으로 길게 돌출형성된 파이프형상으로 제작됨으로써, 여기에 장착된 진단장치들은 연소기(20)에서 발생되는 고온고압의 화염에도 불구하고 안정적으로 구동될 수 있으며, 연료 연소시 발생되는 자발광 신호나 음향파 신호와 같은 화염 상태 기초정보 및 후술할 제2 반사광(RL2)이 연소진단튜브(110) 내측으로 원활하게 전파될 수 있다.
보다 구체적으로, 본 발명의 제1 실시예에 따른 연소진단튜브(110)는, 개구부(110a)를 통해 연소기(20)와 연통되는 직선형의 파이프 형상으로 이루어진 메인튜브(112)와, 메인튜브(112) 일측에서 돌출형성되되 연소기(20) 쪽으로 경사진 서브튜브(114)로 구성된다.
메인튜브(112)는 그 길이방향이 후술할 연소기의 반사면(20a)과 직각을 이루도록 형성하게 되는데, 이는 이색광학거울(130)을 통해 반사된 제1 반사광(RL1)이 연소기의 반사면(20a)을 통해 180° 반사된 후 제2 반사광(RL2)의 형태로 연소진단튜브(110) 내측을 향해 원활하게 전파될 수 있도록 하기 위함이다. 여기서 연소기 반사면(20a)이란, 연소기(20)의 내측면 중에서 이색광학거울(130)을 통해 반사된 제1 반사광(RL1)이 재차 반사가 이루어지는 면을 특정한 것으로, 반사를 위한 특별한 처리가 이루어진 면을 의미하는 것은 아니다.
그리고 서브튜브(114)는 적외선발진기(120)의 장착 공간을 제공하기 위해 메인튜브(112) 일측에서 바깥쪽으로 돌출형성되는데, 이는 적외선발진기(120)가 메인튜브(112) 내측 공간에 마련되면, 광센서(140)를 향한 제2 반사광(RL2)의 진행이 적외선발진기(120)에 의해 간섭 내지 회절되어 정확한 제2 반사광(RL2)의 세기 측정이 이루어지지 않을 수 있기 때문이다.
이러한 서브튜브(114)는 연소기(20) 쪽으로 경사지게 형성하게 되는데, 이는 이색광학거울(130)과의 입사각(또는 반사각)을 좁혀 원활한 반사가 이루어지도록 하기 위함이다.
한편, 도면에 도시하지 않았지만, 연소진단튜브(110)와 연소기(20)가 연결되는 부분에는 정비용 밸브(미도시)가 장착될 수 있는데, 이는 연소상태진단장치(100)의 정비나 교환이 필요할 경우, 정비용 밸브를 잠근 후 연소상태진단장치(100)를 연소기(20)로부터 안전하게 분리할 수 있도록 하기 위함이다.
적외선발진기(120)는 가시광선보다 파장이 길고 전자레인지에 이용되는 마이크로파보다는 파장이 짧은 광선인 적외선(IL)(infrared)을 방출하는 장치로서, 연소진단튜브(110) 내부로 적외선(IL)을 조사 내지 발생시키기 위해 연소진단튜브(110) 일측과 연통되도록 구비되는데, 보다 구체적으로는, 앞서 기술한 바와 같이 메인튜브(112) 일측에서 바깥쪽으로 돌출형성되되 연소기(20) 쪽으로 경사를 이루는 서브튜브(114) 내측에 설치된다.
이러한 적외선발진기(120)의 구체적 구조 내지 구성 및 적외선 발생원리 등은, 이미 공지된 기술에 해당하므로 구체적인 설명은 생략하지만, 본 발명의 이해와 관련된 부분에서는 이를 구체적으로 설명하기로 한다.
본 발명에서 이용되는 적외선(IL)은, 전자기파(빛) 중의 하나로 특유의 성질 즉, 직진성과 굴절성을 가짐은 물론, 물체와 부딪히게 되면 물체의 성질에 따라 반사 또는/및 투과되고, 작은 입자 등과 충돌하게 되면 여러 방향으로 흩어지면서 산란(scattering, 散亂)되며, 입자성과 파동성의 특징을 모두 갖는다.
본 발명에 따른 적외선을 이용한 가스터빈 연소상태진단장치(100)는, 이러한 적외선(IL)의 성질을 대부분 이용하게 되는데, 그중에 특히 작은 입자와 충돌시 발생하는 산란 현상을 이용하여 부유성 고형물(PM)의 발생 여부를 판별하게 되며, 이는 곧 본 발명의 기술적 핵심을 이루게 된다.
여기서 산란 현상은 적외선(IL) 파장 길이와 입자의 크기에 따라 각각 다양한 형태의 산란이 이루어지게 되는데, 그 중에서 선택적 산란인 레일리 산란(Rayleigh Scattering) 및 미 산란(MS)(Mie scattering, MS)과, 비선택적 산란(non-selective scattering)에 대하여 간략히 살펴본다.
먼저, 레일리 산란(Rayleigh Scattering)은 입자의 크기가 매우 작아 빛의 파장보다도 작을 때 일어나는 산란으로, 입자의 크기보다 빛의 파장이 길어지게 되면 산란되는 양이 급격하게 줄어드는 특성을 보인다. 여기서 산란되는 양이 준다는 것은, 조사된 빛의 세기는 유지된 채 직진성을 그대로 유지한다는 의미로 이해될 수 있다.
그리고 미 산란(MS)(Mie scattering, MS)은 입자의 크기가 빛의 파장 길이와 비슷할 경우에 일어나는 산란으로, 빛의 진행방향 쪽인 전방으로 산란(전방산란)의 양이 집중되고, 반대쪽인 후방으로는 산란(후방산란)의 양이 적은 특성을 보인다. 여기서 전방산란이 집중되고 후방산란이 약화된다는 것은, 조사된 빛의 세기가 후방산란만큼 약화되지만 빛의 직진성을 크게 저해하지 않는다는 의미로 이해될 수 있다.
그리고 비선택적 산란(non-selective scattering)은 입자의 크기가 빛의 파장 길이보다 클 때 일어나는 산란으로, 미 산란(MS)과 반대로 후방산란의 양이 집중되고 굴절이나 회절이 발생하는 특성이 있다. 여기서 후방산란의 집중은, 미 산란(MS)의 경우보다 조사된 빛의 세기 및 직진성을 더욱 약화시킨다는 의미로 이해될 수 있다.
위에서 상술한 빛의 세기 즉, 광도(I)는 단위 입체각당 광속(F)을 의미하는 것으로, 광도 공식 
(단, dω : 미소 입체각(sterad), dF : dω 내의 광속) 및 광속 공식 
(단, Pλ: 분광 복사속[Wμ-1], Kλ : 시감도 [lm/W], λ : 파장[μ], Km : 최대 시감도 680[lm/W], 
: 비시감도)에 의해 산란의 강약에 따라 조사된 빛의 세기가 감소됨을 알 수 있으며, 아울러 빛의 입자성에 비추어볼 때, 공기 중 입자에 의한 산란이 발생하게 되면 조사된 빛이 주변으로 흩어짐에 따라 그 세기가 감소됨을 쉽게 이해할 수 있다.
본 발명의 제1 실시예에 따른 적외선발진기(120)는, 파장이 0.5㎛ 내지 1.5㎛인 적외선(IL)을 발생시킬 수 있도록 제작하게 된다.
이는 가스터빈의 작동에 악영향을 줄 수 있고 배기가스에 포함시 환경오염의 문제를 유발할 수 있는 부유성 고형물의 크기가 대략 1㎛ 이상일 때라는 점과, 위에서 살펴본 다양한 산란의 특성 등을 고려한 것으로, 대략 1㎛ 이상의 부유성 고형물(PM)이 상술한 파장 범위의 적외선(IL)을 통해 원활하게 검출되도록 하기 위함이다.
보다 구체적으로 이를 설명하면, 파장이 대략 1㎛인 적외선(IL)이 연소기(20) 내로 조사되는 경우, 연소기(20) 내의 1㎛ 파장보다 작은 크기의 부유성 고형물(PM)에는 레일리 산란이 발생하여 조사된 적외선(IL)의 세기 및 직진성은 유의할만한 수준으로 약화되지 않는다. 반면에, 1㎛ 파장과 비슷한 크기의 부유성 고형물(PM)에는 미 산란(MS)이 발생하여 조사된 적외선(IL)의 세기가 후방산란만큼 다소 약화되지만, 적외선(IL)의 직진성은 크게 저해하지 않게 된다. 또한, 1㎛ 파장보다 큰 부유성 고형물(PM)에는 비선택적 산란에 의해 후방산란이 집중됨에 따라 조사된 적외선(IL)의 세기 및 직진성은 크게 약화된다.
따라서 연소기(20) 내에 포함된 부유성 고형물(PM)의 크기에 따라 변화된 적외선(IL)의 세기가 후술할 광센서(140)에 의해 연속적으로 측정됨으로써, 제어부(150)는 부유성 고형물(PM)의 많고 적음을 판별할 수 있게 되는 것이다. 이러한 판별 과정에 대한 구체적 설명은 이하의 제어부(150)와 관련된 설명에서 하기로 한다.
이색광학거울(130)은, 연소진단튜브(110)의 측면으로 돌출된 서브튜브(114)에 적외선발진기(120)가 설치됨에 따라 적외선발진기(120)에서 발생된 적외선(IL)을 연소기(20) 쪽으로 반사함과 동시에 연소기 반사면(20a)에 의해 연소진단튜브(110) 내측으로 되돌아오는 제2 반사광(RL2)을 투과시켜 광센서(140)에 도달될 수 있도록 하기 위해 마련되는 구성요소이다.
이러한 기능을 수행할 수 있도록 이색광학거울(130)은, 서브튜브(114)가 형성된 쪽의 연소진단튜브(110) 내에서 일정 각도로 기울어지게 구비되어 발생된 적외선(IL) 일부를 연소기(20) 내측 쪽으로 제1 반사시키고, 나머지 적외선(IL)은 투과시키도록 이루어진다.
이때, 광반사율과 광투과율은, 적외선발진기(120)에서 발생된 적외선(IL) 세기의 강약에 따라 가변될 수 있는 것으로서, 연소기(20)를 거쳐 연소진단튜브(110) 내측으로 되돌아온 후 이색광학거울(130)을 투과한 제2 반사광(RL2)의 세기 변화가 광센서(140)에 의해 정밀하게 감지될 수 있는 한도 내라면, 다양하게 변경될 수 있다.
다만, 본 발명의 제1 실시예에 따른 이색광학거울(130)은, 광반사율과 광투과율이 발생된 적외선(IL)에 대하여 각각 50%가 되도록 제작하게 되며, 발생된 적외선(IL)이 연소기(20) 쪽을 지향하여 반사될 수 있도록 하는 위치 및 기울기로 연소진단튜브(110) 내에 설치된다.
여기서 광반사율 및 광투과율을 50%로 설정한 이유는, 발생된 적외선(IL)의 원활한 반사를 도모함과 동시에 연소기(20)를 거치면서 세기가 약화된 제2 반사광(RL2)이 이색광학거울(130)을 원활하게 투과하여 광센서(140)에 도달될 수 있도록 하기 위함이다.
즉, 광반사율이 50%보다 크고 광투과율이 낮게 되면, 제2 반사광(RL2)의 세기가 작아져 광센서(140)에 의한 정밀한 측정이 이루어지기 어려운 문제가 있게 되며, 광반사율이 50%보다 작고 광투과율이 크게 되면, 제2 반사광(RL2)의 세기가 그만큼 커지게 되어 부유성 고형물(PM)의 산란에 따른 적외선(IL)의 미세한 세기 변화를 광센서(140)에 의해 감지해 내기 어려운 문제가 있기 때문이다.
한편, 본 발명에 따른 연소상태진단장치(100)에 추가될 수 있는 구성인 빔덤프(160)는, 발생된 적외선(IL) 중 이색광학거울(130)을 통해 투과된 투과광이 제2 반사광(RL2)과 혼재되어 광센서(140)의 제2 반사광(RL2) 세기 측정에 영향을 미치지 않도록 하기 위해 마련되는 것으로서, 대략 1㎛ 이상의 적외선(IL) 파장에 대하여 85% 내지 95%의 흡수율을 갖는 탄소 그을림, 카본 그라파이트, 석면 또는 철 산화면 등이 형성된 블록으로 구현될 수 있다.
즉, 빔덤프(160)는, 투과광(TL)에 의한 영향을 받지 않고, 연소기(20)에서 부유성 고형물(PM)에 의해 산란되어 그 세기가 감소된 제2 반사광(RL2)의 세기만이 온전히 광센서(140)를 통해 측정되도록 함으로써, 연소기(20) 내 부유성 고형물(PM)의 발생 상태를 보다 정확하게 판별할 수 있도록 하기 위해 마련되는 것이다.
이러한 기능을 충실히 수행하기 위해, 본 발명의 제1 실시예에 따른 빔덤프(160)는 이색광학거울(130)을 가운데에 두고 적외선발진기(120)가 설치된 위치와 서로 마주보도록 하는 연소진단튜브(110) 일측에 마련된다. 이때, 투과광(TL)의 효율적인 흡수가 이루어질 수 있도록, 빔덤프(160)는 연소진단튜브(110)의 내측면이 바깥쪽으로 함몰되어 이루어진 함몰부(116) 안쪽에 설치되는 것이 바람직하다.
광센서(140)는 이색광학거울(130)을 통해 반사된 제1 반사광(RL1) 중에서 연소기 내측 반사면(20a)에 의해 되돌아오는 제2 반사광(RL2)의 세기를 측정하기 위해 연소진단튜브의 타단부(도면상 상단부)에 구비되는 구성요소로서, 본 발명의 제1 실시예에서는, 적외선(특히, 제2 반사광(RL2))의 세기에 비례하여 전압 내지 전류를 생성하는 공지의 장치들(광다이오드, PMT)로 구현하게 된다. 이러한 광센서(140)의 구체적 구조 내지 구성 및 측정 원리 등은, 이미 공지된 기술에 해당하므로 구체적인 설명은 생략한다.
광센서(140)는 적외선발진기(120)를 통해 연속적으로 발생되는 적외선(IL)이 제1 반사광(RL1) 및 제2 반사광(RL2)의 형태로 광센서(140)까지 전파되어오면, 그 세기를 전압 내지 전류의 형태로 산출한 다음 제어부(150)에 해당 측정값을 연속적으로 전달하게 된다.
한편, 본 발명에 따른 연소상태진단장치(100)에 추가될 수 있는 구성인 볼록렌즈(170)는, 이색광학거울(130)을 투과한 제2 반사광(RL2)이 광센서(140)의 수광부 쪽에 집광 내지 포집될 수 있도록 하기 위해 마련되는 구성요소로서, 광센서(140)와 이색광학거울(130) 사이에서 렌즈의 초점이 광센서(140)의 수광부에 놓이도록 하는 위치에 설치하게 된다.
이러한 볼록렌즈(170)를 통해 제2 반사광(RL2)이 광센서(140)의 수광부에 포집됨에 따라 광센서(140)는 보다 정밀하고 정확하게 제2 반사광(RL2)의 세기를 일관성 있게 측정할 수 있게 된다. 따라서 제2 반사광(RL2)의 세기가 미세한 차이를 보이더라도 이를 유의미한 측정정보로 활용할 수 있게 된다.
제어부(150)는, 상술한 적외선발진기(120) 및 광센서(140)뿐만 아니라 이외의 다양한 진단장치들과 서로 전기적으로 연결되어 이들로부터 생성된 신호 내지 정보를 전송받고, 이들을 제어하기 위한 제어신호를 송출하며, 필요에 따라서 전송받은 신호 내지 정보를 저장하거나 화면으로 표시하는 구성요소에 해당한다.
이러한 제어부(150)는 연소기(20)에서 발생하는 고온고압에 의한 영향을 받지 않고 안정적으로 작동될 수 있게 연소기(20)와 이격된 일측에 설치되되, MCU(micro controller unit), 마이컴(microcomputer) 등과 같은 소형 또는 상용 컴퓨터 등으로 구현된다.
MCU, 마이컴과 같은 컴퓨터 장치, 즉 제어부(150)를 통한 적외선발진기(120) 및 광센서(140) 등과 같은 진단장치들의 특정 목적(부유성 고형물(PM)의 발생여부, 화염 온도 측정, 압력측정 등) 구현은, 기계어(machine language, 機 械語) 등과 같은 프로그래밍 언어로 코딩됨으로써 이루어지게 된다. 진단장치의 제어를 위한 기계어 코딩과 관련된 부분은 당업자 수준에서 다양한 방식으로 이루어질 수 있는바, 이에 대한 구체적 설명은 생략한다.
다만, 본 발명의 기술적 핵심인 적외선(IL)을 이용한 부유성 고형물(PM)의 발생 여부 판별과 관련된 알고리즘이, 제어부(150)를 통해 어떻게 수행되는지를 중심으로 이하에서 설명하기로 한다.
본 발명에 따른 제어부(150)는 기본적으로 적외선발진기(120) 및 광센서(140)와 연결되어 이들을 제어하되, 광센서(140)를 통해 측정된 제2 반사광(RL2)의 세기에 기초하여 연소기(20) 내 화염에 포함된 부유성 고형물(PM)의 많고 적음을 판별하게 된다.
즉, 제어부(150)는, 부유성 고형물(PM)이 전혀 없는 때(연소기 내에서 연소가 이루어지지 않는 때)에 측정된 제2 반사광(RL2)의 세기와, 연소기(20) 내에서 연료의 연소가 이루어지는 동안 측정된 제2 반사광(RL2)의 세기를 단순히 상호 비교하여 많은 차이가 날수록(산란이 많이 발생함을 의미) 화염 내 부유성 고형물(PM)의 양이 많은 것으로 판별하게 된다.
다만, 본 발명의 제1 실시예에 따른 제어부(150)는, 적외선발진기(120) 및 광센서(140)와 연결된 상태에서 초기값정보(IVI), 자발광세기정보(SLI) 및 고형물측정정보(PMI)에 기초하여 부유성 고형물(PM)의 양을 정량적으로 산출하게 된다. 이는 사용연료에 따라 달라지는 화염 온도의 차이에 기인하는 자발광에 따른 영향을 고려하여 부유성 고형물(PM)의 양을 보다 정량적이고 정밀하게 산출할 수 있는 기준을 마련하기 위함이다.
이러한 제1 실시예에 따른 제어부(150)의 부유성 고형물(PM) 판별 알고리즘을 도 3을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
먼저, 제어부(150)는, 연소기(20)에서 연소가 이루어지지 않은 상태에서 적외선발진기(120)를 일시적으로 작동시킨 후 광센서(140)를 통해 제2 반사광(RL2)의 세기를 측정하여 초기값정보(IVI)를 생성한다. 이는 이후에 측정되는 고형물측정정보(PMI)와 비교기준으로 삼기 위함이다.
다음으로, 제어부(150)는 적외선발진기(120)를 작동시키지 않은 상태에서, 연소기(20)에서 연소가 이루어지는 동안 화염에서 발생하는 자발광의 세기를 광센서(140)를 통해 측정하여 자발광세기정보(SLI)를 생성하게 된다. 여기서 자발광이란 연소시 화염 자체에서 방사되는 적외선(IL)을 의미하는 것으로, 플랑크 법칙에 따르면 화염 온도가 높을수록 강한 세기의 자발광(적외선)이 발생하게 된다. 따라서 제어부(150)는 이러한 자발광의 세기에 의한 영향 치를 고려하여 보다 정량적이고 정밀하게 부유성 고형물(PM)의 양을 산출할 수 있도록 자발광세기정보(SLI)를 생성하게 된다.
다음으로, 제어부(150)는 연소기(20) 내에서 연료의 연소가 진행되는 동안 소정의 시간간격마다 적외선발진기(120)를 통해 적외선(IL)을 발생시키게 된다.
다음으로, 제어부(150)는 발생된 적외선(IL)이 제1,2 반사광(RL1,RL2)의 형태로 연소기(20)에서 부유성 고형물(PM)에 의해 산란이 이루어진 후, 광센서(140)를 통해 연소진단튜브(110) 내로 반사되어 되돌아온 제2 반사광(RL2)의 세기를 측정하여 고형물측정정보(PMI)를 생성하게 된다. 이때의, 광센서(140)는 적외선발진기(120)에 의한 제2 반사광(RL2)뿐만 아니라 화염에 기인한 자발광 자체의 적외선(IL)에 대한 세기까지도 함께 측정하게 된다.
마지막으로, 제어부(150)는 적외선(IL)의 세기(전압(V) 또는 전류(A)로 표시됨)에 관한 정보인 초기값정보(IVI), 자발광세기정보(SLI) 및 고형물측정정보(PMI)에 기초하여 화염 내 부유성 고형물(PM)의 양을 정량적으로 산출하게 된다.
즉, 제어부(150)를 통해 부유성 고형물(PM)의 양을 정량적으로 산출하는 과정을 보다 구체적으로 설명하면, 우선 상술한 과정에서 획득된 3가지 정보에 기초하여 순수하게 부유성 고형물(PM)에 의한 산란만으로 감쇄된 적외선의 세기(△D)를 △D = IVI - (PMI - SLI) = (IVI + SLI) - PMI 로부터 산출(자발광에 의한 영향 치 각각 고려한 것임)한다.
그리고 이렇게 산출된 산란감쇄(△D)가 발생하는 동안 가스터빈(10)의 배기구(16)에서 배출된 배기가스에 포함된 부유성 고형물(PM)의 전반적인 입자크기를 통계적으로 산출한다.
마지막으로, 상술한 2개의 과정을 수회 내지 수십 회 반복하여 산란감쇄(△D)의 정도에 따라 매칭되는 부유성 고형물(PM)의 입자크기를 데이터화하게 되면, 하나의 함수형태(주로 산란감쇄(△D) 양에 비례하여 입자크기가 커짐)로 도출되므로, 이러한 함수관계에 기초하여 제어부(150)는 산란감쇄(△D)의 양을 연산한 후 부유성 고형물(PM)의 양을 정량적으로 산출할 수 있게 된다.
본 발명에 따른 적외선을 이용한 가스터빈 연소상태진단장치(100)는, 가스터빈의 연소기(20) 내 화염 온도(T)를 정밀하고 정확하게 측정하기 위해 대략 제1 실시예의 구성에 초음파송신기(182) 및 초음파수신기(184)로 이루어지는 화염온도측정모듈(180)을 더 포함하여 구성된다.
이하에서는 설명의 편의를 위해 연소기(20) 내 화염 온도(T)를 정밀하고 정확하게 측정하기 위한 화염온도측정모듈(180)을 중심으로 설명한다.
초음파송신기(182)는, 가청주파수보다 큰 20kHz 이상의 주파수를 발생시키는 장치로서, 연소진단튜브(110) 타단부(도면상 상단부 쪽)에 구비되되, 연소진단튜브(110)를 통해 연소기(20) 쪽으로 송신초음파(SU)를 송출할 수 있도록 초음파송신기(182)의 방향은 연소기의 반사면(20a)을 지향하도록 설치하게 된다.
이로 인해 초음파송신기(182)에서 송출된 송신초음파(SU)는 연소진단튜브(110) 내측 공간을 따라 전파되다가 일부는 후술할 초음파수신기(184)에 의해 수신되고 나머지는 연소기(20) 내의 화염을 가로질러 전파된 후 연소기의 반사면(20a)에 의해 되돌아오는 반사파(RU)의 형태로 다시 연소진단튜브(110) 내측 공간으로 전파되게 된다.
이러한 초음파송신기(182)의 구체적 구조 내지 구성 및 초음파 발생 원리는, 이미 공지된 기술이므로 구체적인 설명은 생략하지만, 이하에서 설명되는 내용의 이해를 위해, 공기 중에서의 초음파 속도(C, 음파)는, 일반적으로 C = 331.6 + 0.6 * t℃(m/s) 의 관계식으로 표현될 수 있고, 온도(t℃)와 비례관계를 이루므로 초음파 속도(C)를 알게 되면 역으로 온도(t℃)를 개략적으로 판단할 수 있다는 정도만 언급하기로 한다.
본 발명의 제2 실시예에 따른 초음파송신기(182)는, 대략 30kHz ~ 100kHz 대역의 송신초음파(SU)를 발생시키는 초음파송신기(182)를 이용하되, 연소기(20)에서 연소되는 연료의 종류, 가스터빈(10)의 종류나 방식 및 연소환경에 따라 주파수 대역을 임의로 선택할 수 있다. 다만, 연소환경에 비교적 영향을 적게 받고 우수한 분석능(分析能)을 갖는 고주파수 대역의 초음파가 연소기(20) 내 화염 온도(T) 측정에 사용되도록 하는 것이 바람직하다.
한편, 본 발명의 제2 실시예에 따른 초음파송신기(182)는, 도 4 및 도 5에서 도시한 바와 같이 연소진단튜브(110)의 측면 쪽으로 살짝 치우치게 설치된다.
이는 다른 진단장치들 즉, 압력센서나 자발광 신호 수신장치 등과의 간섭을 회피하기 위한 것으로, 초음파송신기(182)가 연소진단튜브(110)의 측면 쪽으로 살짝 치우치게 설치되더라도 초음파송신기(182)에서 송출되는 송신초음파(SU)는 연소진단튜브(110)를 따라 전파되면서 직진성을 갖게 되므로 화염 온도(T) 측정에 큰 영향을 미치지 않게 된다.
다만, 초음파송신기(182)는 다른 진단장치들과의 간섭이 없는 한도 내에서 연소진단튜브(110)의 중앙 쪽에 설치하여 연소기의 반사면(20a)과 직접 마주하도록 함으로써, 송신초음파(SU)가 반사되어 이루어지는 반사파(RU)가 연소진단튜브(110) 쪽으로 원활하게 전파되도록 하는 것이 더욱 정확한 화염 온도(T) 측정을 위해 바람직하다.
이러한 초음파송신기(182)는, 연소상태진단장치(100)가 소정시간마다 실시간으로 화염 온도(T)를 측정할 수 있도록 하기 위해 후술할 제어부(150)를 통해 소정간격을 두고 송신초음파(SU)를 발생시키게 된다.
초음파수신기(184)는, 초음파를 수신하여 수신신호 즉, 펄스파(또는 아날로그파) 형태의 전기적 신호(S)와 수신한 때의 시각정보(t)를 함께 생성하는 장치로서, 연소진단튜브(110) 내부에 설치되되, 초음파수신기(184)와 연소기(20) 쪽으로 소정거리를 두고 설치하게 된다.
본 발명에 따른 초음파수신기(184)는, 초음파송신기(182) 쪽과 연소기의 반사면(20a) 쪽 모두를 지향하여 각각 송신초음파(SU)와 반사파(RU)를 모두 수신할 수 있도록 양방형 수신기 형태로 제작된다. 이러한 초음파수신기(184)의 기본적인 구조 내지 구성 및 수신신호 발생원리 등은, 이미 공지된 기술이므로 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
본 발명의 제2 실시예에 따른 초음파수신기(184)는, 도 4에 도시된 바와 같이 연소진단튜브(110) 내부에 1개가 구비되어, 송신초음파(SU)를 수신하여 제1 수신신호(S1-t1)를 생성하고, 송신초음파(SU) 중 연소기 내측 반사면(20a)에 의해 되돌아오는 반사파(RU)를 수신하여 제2 수신신호(S1-t2)를 생성하게 된다.
즉, 초음파송신기(182)에서 송출된 송신초음파(SU)를 해당 방향을 지향하고 있는 일면의 수신기를 통해 수신하여 펄스파 형태의 전기적 신호(S1)와 그때의 시각정보(t1)를 생성하고, 연소기의 반사면(20a) 쪽에서 전파되어 되돌아오는 반사파(RU)를 해당 방향을 지향하고 있는 타면의 수신기를 통해 수신하여 펄스파 형태의 전기적 신호(S1)와 그때의 시각정보(t2)를 생성하게 되는 것이다.
한편, 본 발명의 제3 실시예에 따른 초음파수신기(184)는, 도 5에 도시된 바와 같이 연소진단튜브(110) 내부에서 길이방향을 따라 이격된 상태로 2개가 구비되며, 초음파송신기(182)와 인접한 제1 초음파수신기(184a)와, 연소기(20) 쪽에 인접한 제2 초음파수신기(184b)로 이루어진다. 이때, 제1,2 초음파수신기(184a,184b) 각각은, 초음파송신기(182) 쪽과 연소기의 반사면(20a) 쪽을 모두 지향하는 양방형 수신기 형태로 제작됨은 상술한 바와 같다.
이러한 제1 초음파수신기(184a)와 제2 초음파수신기(184b)는, 초음파송신기(182)로부터 송출된 송신초음파(SU)를 각각 순차 수신하여 제1-1 수신신호(S11-t1)(제1 초음파수신기(184a)) 및 제2-1 수신신호(S21-t2)(제2 초음파수신기(184b))를 생성하게 되며, 송신초음파(SU) 중 연소기 내측 반사면(20a)에 의해 되돌아오는 반사파(RU)를 각각 순차 수신하여 제2-2 수신신호(S22-t3)(제2 초음파수신기(184b)) 및 제1-2 수신신호(S12-t4)(제1 초음파수신기(184a))를 생성하게 된다.
제어부(150)는, 상술한 초음파송신기(182) 및 초음파수신기(184)와 전기적으로 연결되어 이들로부터 생성된 신호 내지 정보를 전송받고, 이들을 제어하기 위한 제어신호를 송출하게 되며, 일반적인 내용은 앞에서 상술한 바와 같다. 따라서 이하에서는 화염온도측정모듈(180)의 화염 온도(T) 측정과 관련된 알고리즘이 제어부(150)를 통해 어떻게 수행되는지를 중심으로 설명하기로 한다.
본 발명의 제2 실시예에 따른 제어부(150)의 경우, 초음파송신기(182) 및 초음파수신기(184)와 연결된 상태에서 제1,2 수신신호(S1-t1,S1-t2) 및 초음파수신기(184)와 반사면(20a) 간의 이격거리(L)에 기초하여 연소기(20) 내의 화염 온도(T)를 측정하게 된다.
보다 구체적으로, 도 4를 참조하여 설명하면 먼저, 제어부(150)가 초음파송신기(182)를 제어하여 소정시간 간격으로 송신초음파(SU)를 발생시키게 되면, 양방향 초음파수신기(184)는 송신초음파(SU) 및 반사파(RU)를 각각 수신하여 제1,2 수신신호(S1-t1,S1-t2)를 생성하게 된다.
다음으로, 제1,2 수신신호(S1-t1,S1-t2)를 전송받은 제어부(150)는, 제1,2 수신신호(S1-t1,S1-t2)에 기초하여 송신초음파(SU) 수신 후 반사파(RU) 수신까지의 지연시간 △t(t2-t1)를 산출한 후, 속도식 Cflame = 2L /△t 에 의해 연소기(20) 내에서의 초음파의 속도(Cflame)를 산출하게 된다.
마지막으로, 제어부(150)는 산출된 초음파의 속도값(Cflame) 및 상수(常數) 값인 
및 R 값을 초음파 속도와 온도와의 관계식인 
에 대입하여 화염 온도(T)를 산출하게 된다. 이때, 
은 비열비(정적몰비열에 대한 정압몰비열의 비), R은 기체상수값, T는 화염온도(절대온도)를 의미하며, 비열비와 기체상수값은 연소상태에 따라 각각 보정된 값을 갖는 상수(常數)로서, 데이터베이스에 저장된 상태에서 제어부(150)에 입력되어 화염 온도(T) 연산에 이용된다.
상술한 초음파 속도와 온도와의 관계식은, 이상기체방정식에서 유래한 실제 공기에 대한 기체방정식 및 파동방정식으로부터 유도되는 속도식을 정리하여 얻어진 것으로, 이미 알려진 식이므로 구체적인 유도과정 등에 대한 설명은 생략한다.
이상에서 살펴본 제2 실시예에 따른 연소상태진단장치(100)는, 종래와 같이 연소기(20) 외측에 마련된 센서를 통해 간접적으로 화염 온도(T)를 측정하는 방식이 아니라 연소기(20) 내의 화염을 가로질러 전파되는 초음파를 이용하여 측정하는 방식이어서, 종래에 비해 연소기(20) 내부의 화염 온도(T)를 보다 정밀하고 정확하게 측정할 수 있는 것이다.
또한, 초음파송신기(182) 1개와 양방향 초음파수신기(184) 1개만을 이용하여 연소기(20)의 화염온도를 측정할 수 있어 종래에 비해 부품 수가 비약적으로 감소됨은 물론, 단순한 구조로 구현됨에 따라 유지 관리의 용이성이 도모될 수 있고, 고비용이 소요되는 연소기(20)에 대한 별도의 구조변경이나 교체 없이도 기존에 운용중인 연소기(20) 및 연소진단튜브(110)에 용이하게 추가장착되어 적용될 수 있다.
반면에, 본 발명의 제3 실시예에 따른 제어부(150)의 경우, 제1-1 수신신호(S11-t1), 제2-1 수신신호(S21-t2), 제2-2 수신신호(S22-t3) 및 제1-2 수신신호(S12-t4)와, 제1,2 초음파수신기(184a,184b) 간의 이격거리(L1), 제2 초음파수신기(184b)와 개구부(110b) 간의 이격거리(L2) 및 개구부(110b)와 연소기의 반사면(20a) 간의 이격거리(L3)에 기초하여 연소기(20) 내의 화염 온도(T)를 측정하게 된다.
보다 구체적으로, 도 5 및 도 6을 참조하여 설명하면, 먼저, 제어부(150)가 초음파송신기(120)를 제어하여 소정시간 간격으로 송신초음파(SU)를 발생시키게 되면, 양방향의 제1,2 초음파수신기(184a,184b)는 각각 양방향에서 송신초음파(SU) 및 반사파(RU)를 수신하여 순차적으로, 제1-1 수신신호(S11-t1), 제2-1 수신신호(S21-t2), 제2-2 수신신호(S22-t3) 및 제1-2 수신신호(S12-t4)를 생성하게 된다.
다음으로, 상기의 4가지 수신신호를 순차적으로 전송받은 제어부(150)는, 제1-1,2-1 수신신호(S11-t1,S21-t2)에 기초하여 지연시간 △t1(t2-t1)을, 제2-1, 2-2 수신신호(S21-t2,S22-t3)에 기초하여 지연시간 △t2(t3-t2)를, 상기 제2-2,1-2 수신신호(S22-t3, S12-t4)에 기초하여 지연시간 △t3(t4 -t3)를 각각 산출한다. 그리고 속도식 C1 = L1 /△t1에 의해 송신초음파(SU)의 속도(C1)를, 속도식 Cflame = 2(L2+L 3) /△t2 에 의해 연소기(20) 내에서의 초음파의 속도(Cflame)를, 속도식 C2 = L1 /△t3 에 의해 상기 반사파(RU)의 속도(C2)를 각각 산출하게 된다.
마지막으로, 제어부(150)는 상수(常數)인 
값 및 R 값과 산출된 초음파의 속도 값(C1,C2,Cflame) 중에서 Cflame 값만을 초음파 속도와 온도와의 관계식인 
에 대입하여 화염 온도(T)를 산출할 수 있다. 다만, 이때의 화염 온도(T)는 L2 + L3 구간에 걸쳐 전파 내지 반사되는 초음파의 평균속도에 기초한 것이므로, 순수한 연소기(20) 구간(L3)에서의 초음파 평균속도에 기초한 경우보다 정확도가 떨어질 수 있다.
여기서 
은 비열비(정적몰비열에 대한 정압몰비열의 비), R은 기체상수값, T는 화염온도(절대온도)를 의미하며, 비열비와 기체상수값은 연소상태에 따라 각각 보정된 값을 갖는 상수(常數)로서, 데이터베이스에 저장된 상태에서 제어부(150)에 입력되어 화염 온도(T) 연산에 이용됨은 제1 실시예와 같다.
이상에서 살펴본 제3 실시예에 따른 연소상태진단장치(100)는, 종래와 같이 연소기(20) 외측에 마련된 센서를 통해 간접적으로 화염 온도(T)를 측정하는 방식이 아니라 연소기(20) 내의 화염을 가로질러 전파되는 초음파를 이용하여 측정하는 방식이어서, 종래에 비해 연소기(20) 내부의 화염 온도(T)를 보다 정밀하고 정확하게 측정할 수 있음은 제2 실시예와 같다.
또한, 제2 실시예와 비교할 때, 양방향 초음파수신기(184)가 1개 더 추가된 형태이지만 종래에 비해 부품 수가 감소되고, 단순한 구조로 구현된 점은 마찬가지여서 유지 관리의 용이성은 물론, 고비용이 소요되는 연소기(20)에 대한 별도의 구조변경이나 교체 없이도 기존에 운용중인 연소기(20) 및 연소진단튜브(110)에 용이하게 추가장착되어 적용될 수 있다.
한편, 제2 실시예와 비교시, 연소진단튜브(110)의 길이방향을 따라 양방향 초음파수신기(184)를 1개 더 추가하면서 개구부(110b)와 제2 초음파수신기(134) 간의 이격구간(L3)을 추가로 구획하는 형태로 제2 실시예를 구현한 이유는, 더욱 정확한 화염 온도(T)를 측정하고, 초음파의 회절, 간섭, 중첩이나 연소기(20) 내 물리적 요인에 따른 초음파수신기(130)의 계측오류 등을 시정하기 위함이다.
즉, 화염 온도(T) 측정의 정확성을 보다 증대하기 위해서, 제어부(150)는 이미 산출된 초음파의 속도 값인 Cflame 값뿐만 아니라 C1 및 C2 값 모두를 다음과 같이 활용하게 된다.
먼저, 제어부(150)는, 제2 초음파수신기(13 4)에서 개구부(110b)에 이르는 이격거리(L2)에 대한 송신초음파(SU)의 지연시간 △t4를, L1 구간에서의 송신초음파(SU) 속도인 C1을 기초로 속도식 △t4 = L2 / C1 에 의해 산출하게 된다. 여기서 L1 구간의 속도 값인 C1 값을 L2 구간의 속도 값으로 보아 속도식을 적용한 이유는, L1 구간과 L2 구간은 연소진단튜브(110) 상에서 서로 인접한 구간이고 온도차가 크지 않아서 전파속도의 연속성을 인정하여도 유의할 만한 수준의 오차가 발생하지 않기 때문이다.
다음으로, 제어부(150)는, 개구부(110b)에서 제2 초음파수신기(184b)(130)에 이르는 이격거리(L2)에 대한 반사파(RU)의 지연시간 △t5 를, L1 구간에서의 반사파(RU) 속도인 C2를 기초로 속도식 △t5 = L2 / C2 에 의해 산출하게 된다. 여기에서도 L1 구간의 속도 값인 C2 값을 L2 구간의 속도 값으로 보아 속도식을 적용한 이유는, L1 구간과 L2 구간은 연소진단튜브(110) 상에서 서로 인접한 구간이고 온도차가 크지 않아서 전파속도의 연속성을 인정하여도 유의할 만한 수준의 오차가 발생하지 않기 때문이다.
마지막으로, 제어부(150)는, 도 6에서처럼 속도식 Cflame = 2L3 /(△t2 -△t4-△t5)에 의해 순수한 연소기(20) 구간(L3) 내에서의 초음파 속도(C flame)를 산출한 후, 초음파 속도와 온도와의 관계식인 
에 대입하여 앞선 경우보다 정확한 화염 온도(T)를 산출하게 된다.
한편, 초음파의 회절, 간섭, 중첩이나 연소기(20) 내 물리적 요인에 따른 초음파수신기(184)의 계측오류 등을 시정하기 위해서, 제어부(150)는, 반사파(RU)에 대한 수신신호인 제2-2 수신신호(S22-t3) 및 제1-2 수신신호(S12-t4)에 기초해 산출된 지연시간 △t3(C2 = L1 /△t3 에 의해 산출)와, 송신초음파(SU) 속도인 C1 값을 기초로 한 속도식 C1 = L1 /△t3'에 의해 산출되는 지연시간 △t3'를 상호 비교하여 소정범위 이상의 차가 있게 되면, 계측오류신호를 생성하게 된다. 이때의 소정범위란, 사용자의 필요에 따라 적절하게 가감될 수 있는 것으로서 화염 온도(T) 측정의 정확성을 보다 추구하려면, 해당 범위를 좁게 설정함이 바람직하다.
한편, 상술한 방식으로 계측오류를 판단할 수 있는 이유는, 만일 초음파송신기(182)로부터 송출된 송신초음파(SU)가 전파되고 반사되는 과정에서 회절, 간섭이나 기타 물리적 요인에 따른 영향을 전혀 받지 않은 이상적인 경우라면, 같은 구간인 L1에서는 송신초음파(SU)의 속도(C1)와 반사파(RU)의 속도(C2)는 서로 동일하게 되어 L1 구간에서의 지연시간 △t3' 와 △t3 도 동일하게 되지만, 이상적이지 않은 경우라면, L1 구간에서의 속도(C1,C2)는 물론, 지연시간 △t3'와 △t3는, 물리적 요인 등에 의한 영향이 커질수록 그 차이는 커지게 되고, 이는 결국 초음파 속도에 기초하여 산출되는 화염 온도(T)의 측정치를 신뢰할 수 없다는 결론으로 귀결되기 때문이다.
따라서 제어부(150)는 산출된 △t3'와 △t3가 소정범위 이상의 차이가 있게 되면, 사용자 등에게 계측오류의 알림 등이 이루어지게 함과 동시에 새로운 화염 온도 측정을 위해 초음파송신기(182)를 통하여 송신초음파(SU)를 즉각 송출하도록 제어할 수 있다.
또한, 도 7에 도시된 바와 같이 가스터빈용 연소기(20) 내의 화염 온도(T)가 1300℃ 이하에서 CO 배출이 증가하는 연소의 특성을 고려하여, 제어부(150)는 산출된 화염 온도(T)가 1300℃ 이하인 경우, 일산화탄소(CO) 발생위험신호를 생성하도록 구현될 수 있다.
반면에, 도 8에 도시된 바와 같이 가스터빈용 연소기(20) 내의 화염 온도(T)가 1600℃ 이상에서 NOx 배출이 증가하는 연소의 특성을 고려하여, 제어부 (140)는 산출된 상기 화염 온도(T)가 1600℃ 이상인 경우, 질소산화물(NOx) 발생위험신호를 생성하도록 구현될 수 있다.
도 7 및 도 8에 제시되는 가스터빈(10) 연소 특성 그래프는 본 발명의 출원인이 International Journal of Hydrogen Energy에서 발표한 논문 내용 중 Fig 9 및 Fig 7 에 기초한 자료이다.
(http://www.sciencedirect.com/science/journal/03603199 참조)
상술한 바와 같이 제어부(150)에 의해 생성된 발생위험신호는, 가스터빈(10)의 컨트롤 패널(미도시) 등에 전달되어 작업자에게 표시되도록 이루어질 수 있다.
이렇게 본 발명에 따라 측정된 화염 온도(T) 및 연소 온도에 따른 연료별(신연료 즉, IGCC, Bio gas, DME(Dimethyl Ether), SNG(Synthetic Natural Gas) 등 포함) 유해물질 배출특성 그래프에 기초하여, 연료의 불완전 연소 여부를 실시간으로 정확하게 판단하고 대처할 수 있게 됨에 따라 연료의 연소 효율성을 향상시킬 수 있으며, 유해 배기가스의 저감 등을 이룰 수 있게 된다.
이상에서 살펴본 제2,3 실시예에 따르면, 부유성 고형물(PM)의 정량적 측정 및 화염 온도의 측정이 동시에 이루어질 수 있게 되므로, 온도와 부유성 고형물(PM)의 발생 간의 상관관계를 알 수 있게 됨은 물론, 일산화탄소(CO) 및 질소산화물(NOx)과 같은 유해가스와 부유성 고형물(PM) 간의 상관관계, 연소불안정의 증폭이나 감쇄에 대한 예측 등을 종합적으로 판단할 수 있게 된다.
앞에서, 본 발명의 특정한 실시예가 설명되고 도시되었지만 본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 일이다. 따라서 그러한 수정예 또는 변형예들은 본 발명의 기술적 사상이나 관점으로부터 개별적으로 이해되어서는 안 되며, 변형된 실시예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이다.
IL: 적외선 RL1: 제1 반사광
RL2: 제2 반사광 TL: 투과광
SU: 송신초음파 RU: 반사파
S1-t1: 제1 수신신호 S1-t2: 제2 수신신호
S11-t1: 제1-1 수신신호 S12-t4: 제1-2 수신신호
S21-t2: 제2-1 수신신호 S22-t3: 제2-2 수신신호
10: 가스터빈 12: 압축기
14: 터빈날개 16: 배기구
20: 연소기 20a: 반사면
100: 본 발명에 따른 적외선을 이용한 가스터빈 연소상태진단장치
110: 연소진단튜브 110a: 개구부
112: 메인튜브 114: 서브튜브
116: 함몰부 120: 적외선발진기
130: 이색광학거울 140: 광센서
150: 제어부 160: 빔덤프
170: 볼록렌즈 180: 화염온도측정모듈
182: 초음파송신기 184: 초음파수신기
RL2: 제2 반사광 TL: 투과광
SU: 송신초음파 RU: 반사파
S1-t1: 제1 수신신호 S1-t2: 제2 수신신호
S11-t1: 제1-1 수신신호 S12-t4: 제1-2 수신신호
S21-t2: 제2-1 수신신호 S22-t3: 제2-2 수신신호
10: 가스터빈 12: 압축기
14: 터빈날개 16: 배기구
20: 연소기 20a: 반사면
100: 본 발명에 따른 적외선을 이용한 가스터빈 연소상태진단장치
110: 연소진단튜브 110a: 개구부
112: 메인튜브 114: 서브튜브
116: 함몰부 120: 적외선발진기
130: 이색광학거울 140: 광센서
150: 제어부 160: 빔덤프
170: 볼록렌즈 180: 화염온도측정모듈
182: 초음파송신기 184: 초음파수신기
Claims (8)
- 일단부에 개구부가 마련되어 가스터빈용 연소기 내측 공간과 연통되고, 타단부는 외측으로 돌출형성되어 이루어지는 연소진단튜브;
상기 연소진단튜브 일측과 연통되도록 구비되어 상기 연소진단튜브 내부로 적외선을 발생시키는 적외선발진기;
상기 연소진단튜브 내에 구비되어 상기 적외선 일부만 상기 연소기 내측으로 제1 반사시키고, 나머지는 투과시키는 이색광학거울;
상기 이색광학거울을 통해 반사된 제1 반사광 중 상기 연소기 내측 반사면에 의해 되돌아오는 제2 반사광의 세기를 측정하기 위해 상기 연소진단튜브의 타단부에 구비되는 광센서; 및
상기 적외선발진기 및 상기 광센서와 연결되어 제어하고, 측정된 상기 제2 반사광의 세기에 기초하여 상기 연소기 내의 화염에 포함되는 부유성 고형물의 많고 적음을 판별하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 적외선을 이용한 가스터빈 연소상태진단장치. - 제1항에 있어서,
상기 연소상태진단장치는,
상기 적외선 중 상기 이색광학거울을 통해 투과된 투과광을 흡수할 수 있도록, 상기 적외선발진기와 마주하는 상기 연소진단튜브 일측에 빔덤프를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 적외선을 이용한 가스터빈 연소상태진단장치. - 제2항에 있어서,
상기 연소상태진단장치는,
상기 이색광학거울을 투과한 상기 제2 반사광이 상기 광센서에 집광될 수 있도록, 상기 광센서와 상기 이색광학거울 사이에 볼록렌즈를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 적외선을 이용한 가스터빈 연소상태진단장치. - 제2항에 있어서,
상기 연소진단튜브는,
상기 개구부를 통해 상기 연소기와 연통되는 직선형의 파이프 형상으로 이루어진 메인튜브와, 상기 메인튜브 일측에서 돌출형성되되 상기 연소기 쪽으로 경사진 서브튜브로 구성되고,
상기 적외선발진기는,
상기 서브튜브 내측에 장착되고, 1㎛ 이상의 부유성 고형물을 원활하게 검출할 수 있도록, 파장이 0.5㎛ 내지 1.5㎛인 적외선을 발생시키는 것을 특징으로 하는 적외선을 이용한 가스터빈 연소상태진단장치. - 제4항에 있어서,
상기 이색광학거울은,
상기 적외선이 상기 연소기 쪽을 향하여 반사될 수 있는 위치에 설치되고,
광투과율이 50%인 것을 특징으로 하는 적외선을 이용한 가스터빈 연소상태진단장치. - 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제어부는,
상기 연소기에서 연소가 이루어지지 않은 상태에서 상기 적외선발진기를 작동시킨 후 상기 광센서를 통해 상기 제2 반사광의 세기를 측정하여 초기값정보를 생성하고,
상기 연소기에서 연소가 이루어지는 동안 화염에서 발생하는 자발광의 세기를 상기 광센서를 통해 측정하여 자발광세기정보를 생성하고,
상기 연소기에서 연소가 진행되는 동안 소정의 시간간격마다 상기 적외선발진기를 통해 상기 적외선을 발생시키고,
발생된 상기 적외선이 상기 제1,2 반사광의 형태로 상기 연소기에서 상기 부유성 고형물에 의해 산란이 이루어진 후, 상기 제2 반사광의 세기를 상기 광센서를 통해 측정하여 고형물측정정보를 생성하고,
상기 초기값정보, 상기 자발광세기정보 및 상기 고형물측정정보에 기초하여 화염 내 부유성 고형물의 양을 정량적으로 산출하는 것을 특징으로 하는 적외선을 이용한 가스터빈 연소상태진단장치. - 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 연소상태진단장치는, 상기 연소기 내의 화염 온도를 측정할 수 있도록,
상기 연소진단튜브 타단부에 구비되어 상기 연소진단튜브를 통해 상기 연소기 쪽으로 송신초음파를 발생시키는 초음파송신기; 및
상기 연소진단튜브 내부에 구비되어, 상기 송신초음파를 수신하여 제1 수신신호를 생성하고, 상기 송신초음파 중 상기 반사면에 의해 되돌아오는 반사파를 수신하여 제2 수신신호를 생성하는 초음파수신기로 구성되는 화염온도측정모듈을 더 포함하고,
상기 제어부는, 상기 화염온도측정모듈과 연결되어 제어하고, 상기 제1,2 수신신호 및 상기 초음파수신기와 상기 반사면 간의 이격거리(L)에 기초하여 상기 연소기 내의 화염 온도를 측정하는 것을 특징으로 하는 적외선을 이용한 가스터빈 연소상태진단장치. - 제7항에 있어서,
상기 제어부는,
상기 제1,2 수신신호에 기초하여 상기 송신초음파 수신 후 상기 반사파 수신까지의 지연시간 △t를 산출하고,
속도식 Cflame = 2L /△t 에 의해 상기 연소기 내에서의 초음파의 속도(Cflame)를 산출한 후,
초음파 속도와 온도와의 관계식인에 의해 상기 화염 온도를 산출하는 것을 특징으로 하는 초음파를 이용한 가스터빈 연소상태진단장치.
Priority Applications (3)
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|---|---|---|---|
| KR1020150172676A KR101668842B1 (ko) | 2015-12-04 | 2015-12-04 | 적외선을 이용한 가스터빈 연소상태진단장치 |
| PCT/KR2016/000599 WO2017094965A1 (ko) | 2015-12-04 | 2016-01-20 | 가스터빈 연소상태 진단장치 |
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| KR1020150172676A KR101668842B1 (ko) | 2015-12-04 | 2015-12-04 | 적외선을 이용한 가스터빈 연소상태진단장치 |
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| KR1020150172676A KR101668842B1 (ko) | 2015-12-04 | 2015-12-04 | 적외선을 이용한 가스터빈 연소상태진단장치 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR101668842B1 (ko) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101862248B1 (ko) * | 2017-08-14 | 2018-05-29 | 인천대학교 산학협력단 | 초음파를 이용한 연소실용 다점 온도측정장치 및 이를 사용한 온도측정시스템 |
| KR20210090509A (ko) | 2020-01-10 | 2021-07-20 | 한국전력공사 | 연소기 내부의 화염 위치 계측 시스템 및 계측 방법 |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20150018017A (ko) * | 2013-08-08 | 2015-02-23 | 한국전력공사 | 가스터빈 연소진단 장치 |
| KR20150071671A (ko) | 2013-12-18 | 2015-06-26 | 지멘스 에너지, 인코포레이티드 | 가스 터빈 연소 모니터링 및 제어를 위한 다기능 센서 시스템 |
-
2015
- 2015-12-04 KR KR1020150172676A patent/KR101668842B1/ko active IP Right Grant
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| KR20150018017A (ko) * | 2013-08-08 | 2015-02-23 | 한국전력공사 | 가스터빈 연소진단 장치 |
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| KR20210090509A (ko) | 2020-01-10 | 2021-07-20 | 한국전력공사 | 연소기 내부의 화염 위치 계측 시스템 및 계측 방법 |
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